詳解運(yùn)放使用的8大原則

運(yùn)算放大器最初誕生時(shí)是用來(lái)作為各種模擬信號(hào)的運(yùn)算，這個(gè)名字后來(lái)一直沿用至今，但是現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是所謂的“運(yùn)算”了，如今它充當(dāng)?shù)慕巧嗟氖恰靶盘?hào)調(diào)理兼放大”。信號(hào)放大可以說(shuō)是對(duì)模擬信號(hào)最基本的處理了，放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換，它在輸入信號(hào)的作用下，通過(guò)放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)化成負(fù)載所獲得的能量，使得負(fù)載從電源獲得的能量大于信號(hào)源所提供的能量，這也就說(shuō)明，負(fù)載上總是獲得比輸入信號(hào)大得多的電壓或者電流，有時(shí)這兩種情況都發(fā)生。以下是我們?cè)谑褂眠\(yùn)算放大器時(shí)需要注意的幾個(gè)重要問(wèn)題，我爭(zhēng)取用最簡(jiǎn)單的原理圖以“看圖說(shuō)話”的方式來(lái)說(shuō)清楚我要表達(dá)的意思，以免給工程師朋友帶來(lái)不必要的視覺(jué)疲勞。1、

首先應(yīng)該好好理解運(yùn)放的最簡(jiǎn)模型從運(yùn)放的原理來(lái)說(shuō)，我們可以將運(yùn)放看成是一個(gè)壓控電壓源，其中，運(yùn)放的輸出由受控電壓源提供，而受控電壓源的控制電壓就是輸入端的差分電壓，如下圖所示：2、運(yùn)放輸出端的電流約束仍然遵循Kirchhoff電流定律

這里不能認(rèn)為流過(guò)反饋電阻Rf的電流和流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流是相等的，因?yàn)殡娏鱥是“有機(jī)會(huì)”流入運(yùn)放的輸出端的，這是由芯片內(nèi)部的構(gòu)造決定的，尤其是高精度應(yīng)用時(shí)應(yīng)該好好提防這一點(diǎn)。3、使用運(yùn)放時(shí)需要注意由電阻自身雜散電容而產(chǎn)生的影響

這個(gè)反向比例運(yùn)算電路的增益函數(shù)如下：

這里，C1會(huì)使得頻率特性出現(xiàn)尖峰脈沖，而C2會(huì)使得高頻領(lǐng)域的增益下降，從而導(dǎo)致頻率特性惡化！對(duì)于一般的低頻應(yīng)用而言，這個(gè)因素是可以“視而不見(jiàn)”的，但是如果需要低噪聲環(huán)境的話，就需要盡量減小Ri和Rf的阻值，因?yàn)檫@樣可以減小雜散電容的影響，或者干脆使用高精度的電阻也行，如果開(kāi)發(fā)成本允許的話。4、對(duì)于反饋系數(shù)的量化問(wèn)題不應(yīng)該含糊

從這兩個(gè)圖可以看出，雖然他們的增益絕對(duì)值是一樣的，都是1，說(shuō)白了這兩個(gè)電路都可以看作是一個(gè)電壓跟隨器。顯然圖（b）的負(fù)反饋系數(shù)要大，性能應(yīng)該會(huì)更好，但是它防止振蕩的能力卻不如圖（a）的電路，因?yàn)樗鼘?duì)于信號(hào)的變化過(guò)于“敏感”。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，對(duì)于反饋系數(shù)的量化問(wèn)題是不能含糊的，它很大程度地決定了系統(tǒng)的“穩(wěn)”、“快”、“準(zhǔn)”這三個(gè)方面。最終的電路設(shè)計(jì)應(yīng)該是這三個(gè)方面的折中，以此達(dá)到傳說(shuō)中的性能最優(yōu)化。5、單電源供電時(shí)需注意輸出電壓擺幅的問(wèn)題

如上圖所示，由于是單電源供電，那么運(yùn)放的兩個(gè)輸入端必須加有直流偏壓，而且為了使電路的輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍最大化，一般要求VP=VN=VCC/2。此外，這里運(yùn)放的輸入、輸出端的直流電位不為零，So，需要采用電容（C1、C2）來(lái)耦合信號(hào)。6、得注意運(yùn)放的輸入寄生電容

由于運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素，導(dǎo)致運(yùn)放具有數(shù)pF~數(shù)十pF的輸入寄生電容，這自然使得運(yùn)放的穩(wěn)定性變差了，輸入寄生電容會(huì)和輸入電阻一起形成一個(gè)容易被人忽略的LPF，倘若輸入信號(hào)的頻率超過(guò)一定值，則就會(huì)丟失信息。這個(gè)頻率值函數(shù)為：為了解決這個(gè)問(wèn)題，一般采用如下電路所示的方法：

由于輸入寄生電容使得相位滯后，因此可以用超前相位的補(bǔ)償來(lái)防止振蕩，上圖中的CF有相位超前的作用，有效地解決了寄生電容所帶來(lái)的問(wèn)題。通常CF取值要稍大于Ci。7、需要防止運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū)，除非該運(yùn)放用于比較器電路這是一個(gè)很普通的積分電路。如果輸入信號(hào)的頻率過(guò)低的話，則沒(méi)有反饋回路了，即此時(shí)電路處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，也就意味著運(yùn)放的電壓增益非常大，輸出電壓將極易進(jìn)入非線性區(qū)，就失去信號(hào)放大的意義了。為此，我們可以在電容兩端并聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)加以限制運(yùn)放的增益。如下圖：8、對(duì)于輸出電阻應(yīng)該知道是怎么回事

對(duì)于圖（a）來(lái)說(shuō)，輸出電阻由R決定，而對(duì)于圖（b）來(lái)說(shuō)，由于R放在反饋電路內(nèi)部，所以它的輸出阻抗非常低，驅(qū)動(dòng)能力比圖（a）所示電路顯然要好。以上只是運(yùn)算放大器的使用注